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AUV水声通信系统研究

董继刚  
【摘要】:随着海洋资源开发与利用的不断发展,自治水下机器人(AUV)作为一种重要的水下无人潜器,在海底地形探测、海洋资源勘探等领域的应用越来越广泛。利用水声通信技术可以实现对AUV平台的控制以及AUV数据的实时传输,水声通信是AUV进行水下作业的重要技术保障。水声信道固有的长时延、强多途、高噪声、可用带宽受限等特点,加之AUV系统本身的强噪声起伏、大机动范围、高可靠性要求等特征,对AUV水声通信系统的开发提出了更高的要求。本文以AUV水声通信系统为研究背景,以高可靠性的跳频频移键控(FH-FSK)系统为通信体制,对基于拷贝相关和调频斜率估计的线性调频(LFM)同步信号联合检测、水声跳频通信系统信道均衡技术、AUV水声跳频通信原理与协议设计、多元低密度奇偶校验(LDPC)码在水声FH-FSK系统中的应用等技术进行了研究。稳健的同步检测技术是通信系统进行可靠信息传输的前提,AUV水声通信系统采用外同步法,利用自相关性较好的LFM信号作为同步信号。本文对影响AUV水声通信系统同步性能的噪声干扰进行了分析,大量试验数据表明,AUV水声通信系统背景噪声起伏较大,非平稳噪声会引起拷贝相关检测器的虚警,使得解调器按照错误的信息位置进行解调,进而产生较高的误码率而使通信链路中断。针对此问题,本文提出了一种基于拷贝相关和调频斜率估计的LFM同步信号联合检测方法。利用拷贝相关器的快速定位特性和分数阶傅里叶变换对于LFM信号参数的估计特性,对同步信号进行联合检测。经仿真与实验验证,该方法对于非平稳噪声引起的虚警具有较强的抵抗能力,在满足一定信噪比条件下,具有较强的同步信号检测性能。水声信道的多途扩展在接收端产生较强的符号间干扰,并且带来一定的信噪比损失,虽然采用FH-FSK体制的AUV水声通信系统具有一定的抗多途干扰能力,但是受水声信道大时延扩展以及带宽受限的影响,并没有完全解决多途干扰的问题。针对此问题,本文基于FH-FSK系统,提出了一种基于压缩信道感知与时间反转镜相结合的信道均衡方法。该均衡方法利用水声信道的稀疏特性,引入压缩感知框架下的稀疏信号重构算法进行水声信道估计,并利用估计信道与接收的FH-FSK信号进行虚拟时间反转镜处理。经仿真和实验验证,在AUV悬停作业等信道条件相对稳定的情况下,该方法能够有效压缩水声信道的多途扩展并实现能量聚焦,提高水声跳频通信系统的抗多途干扰性能。水声信道复杂多变,具有较强的多途扩展和严重的带宽受限特性,而FH-FSK系统是一种在复杂信道条件下较为稳健的通信体制。本文针对水声FH-FSK通信系统,分析了多途干扰对通信系统性能的影响,研究了抗多途干扰的FH-FSK系统参数设计方法。一方面,由于AUV任务使命的特殊性,要求AUV水声通信系统具有较高的数据传输可靠性。另一方面,AUV平台的大范围机动特性以及母船和AUV平台噪声的强烈起伏,将引起信道结构和输入信噪比等传输环境的变化。因此,要求AUV水声通信系统对于传输环境的变化具有较强的适应能力。针对上述问题,本文在水声FH-FSK系统的基础上,提出并实现了一种基于链路自适应的多速率水声通信协议。该协议按照固定的帧周期协同工作,由水面单元通过配置方式决定帧周期内的任务状态,并且通过配置帧构成闭合环路,可以完成自适应传输速率调整和自动请求重传(ARQ)功能,提高了水声通信系统对传输环境变化的适应能力和系统的可靠性。分析了自适应速率调整的具体方法,给出了该协议的实现方法与流程,并且通过湖试验证了该协议的有效性。水声信道严重的多途干扰和频率选择性衰落,将增加水声FH-FSK系统的平均误码率。此外,由于AUV的运动特性,接收信号易产生时间选择性衰落,在接收端产生成串的突发错误甚至导致通信的中断。以上两方面因素将降低AUV跳频通信系统的可靠性,针对此问题,本文将多元LDPC码与FH-FSK系统相结合,提出了一种基于多元LDPC码的水声FH-FSK系统。对比了基于二元LDPC码的FH-FSK系统与基于卷积码的FH-FSK系统的抗干扰性能,仿真与实验结果表明,前者具有更强的抗干扰能力。分析了影响多元LDPC码性能的主要因素,对比了基于多元LDPC码的FH-FSK系统与基于二元LDPC码的FH-FSK系统,仿真与实验结果表明,基于多元LDPC码的FH-FSK系统具有更强的抗干扰能力,可以进一步提高系统的可靠性。


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